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进击的YOLOv3，目标检测网络的巅峰之作 | 内附实景大片

2018 年 5 月 11 日 PaperWeekly 浩克匠心

作者丨浩克匠心

研究方向丨基于深度学习的实时目标检测

知乎专栏丨计算视觉与深度学习的小屋

YOLOv3的前世今生

2015 年，R-CNN 横空出世，目标检测 DL 世代大幕拉开。

各路豪杰快速迭代，陆续有了 SPP，fast，faster 版本，至 R-FCN，速度与精度齐飞，区域推荐类网络大放异彩。

奈何，未达实时检测之基准，难获工业应用之青睐。

此时，凭速度之长，网格类检测异军突起，先有 YOLO，继而 SSD，更是摘实时检测之桂冠，与区域推荐类二分天下。然准确率却时遭世人诟病。

遂有 JR 一鼓作气，并 coco，推 v2，增加输出类别，成就 9000。此后一年，作者隐遁江湖，逍遥 twitter。偶获灵感，终推 v3，横扫武林！

准确率不再是短板

自从 YOLO 诞生之日起，它就被贴上了两个标签：

速度很快
不擅长检测小物体

而后者，成为了很多人对它望而却步的原因。

由于原理上的限制，YOLO 仅检测最后一层卷积输出层，小物体像素少，经过层层卷积，在这一层上的信息几乎体现不出来，导致难以识别。

YOLOv3 在这部分提升明显，先看看小物体的识别。

▲ YOLOv3的识别结果

直观地看下和 YOLOv2 的对比图如下。可以看出，对于小物体的识别，提高非常明显。

无论是传统的模式识别图像检测，还是基于 CNN 的视觉检测，对于紧凑密集或者高度重叠目标的检测通常是非常困难的。比如对合影的人群检测在 YOLOv2 上的结果：

而下面是 v3 的结果

一次检测到图中 90% 的人，还增加了 tie（领带）这个新类别，非常惊艳！

再看看模型的泛化能力如何：

骷髅并不在训练数据集中，但是通过训练模型强大的泛化能力，自动将其归类到了人类（也算是最为合理的近似处理了）。

这在 YOLOv2 中是检测不到的。

那么，模型泛化能力很强的副作用，就是分类结果跑偏，比如下面这张 coser 的识别图，最左侧的人识别成了马：

训练和检测都很快

论文中做了详尽的对比。

和前辈们比，YOLO 的速度非常快，比 R-CNN 快 1000 倍，比 Fast R-CNN 快 100 倍。

和同辈们比，YOLOv3-608 检测准确率比 DSSD 更高，接近 FPN，但是检测时间却只用了后面两者的三分之一不到。

原因如论文中所说，它在测试时观察整张图像，预测会由图像中的全局上下文（global context）引导。它还通过单一网络评估做出预测，而不像 R-CNN 这种系统，一张图就需要成千上万次预测。

用了哪些黑科技？

1. 多级预测

终于为 YOLO 增加了 top down 的多级预测，解决了 YOLO 颗粒度粗，对小目标无力的问题。

v2 只有一个 detection，v3 一下变成了 3 个，分别是一个下采样的，feature map 为 13*13，还有 2 个上采样的 eltwise sum，feature map 为 26*26，52*52，也就是说 v3 的 416 版本已经用到了 52 的 feature map，而 v2 把多尺度考虑到训练的 data 采样上，最后也只是用到了 13 的 feature map，这应该是对小目标影响最大的地方。

在论文中从单层预测五种 boundingbox 变成每层 3 种 boundongbox。

2. loss不同

作者 v3 替换了 v2 的 softmax loss 变成 logistic loss，由于每个点所对应的 bounding box 少并且差异大，每个 bounding 与 ground truth 的 matching 策略变成了 1 对 1。

当预测的目标类别很复杂的时候，采用 logistic regression 进行分类是更有效的，比如在 Open Images Dataset 数据集进行分类。

在这个数据集中，会有很多重叠的标签，比如女人、人，如果使用 softmax 则意味着每个候选框只对应着一个类别，但是实际上并不总是这样。复合标签的方法能对数据进行更好的建模。

3. 加深网络

采用简化的 residual block 取代了原来 1×1 和 3×3 的 block（其实就是加了一个 shortcut，也是网络加深必然所要采取的手段）。

这和上一点是有关系的，v2 的 darknet-19 变成了 v3 的 darknet-53，为啥呢？就是需要上采样啊，卷积层的数量自然就多了，另外作者还是用了一连串的 3*3、1*1 卷积，3*3 的卷积增加 channel，而 1*1 的卷积在于压缩 3*3 卷积后的特征表示。

4. Router

由于 top down 的多级预测，进而改变了 router（或者说 concatenate）时的方式，将原来诡异的 reorg 改成了 upsample。

下一代YOLO长啥样？

1. mAP 会继续提高：随着模型训练越来越高效，神经网络层级的不断加深，信息抽象能力的不断提高，以及一些小的修修补补，未来的目标检测应用mAP会不断提升。

2. 实时检测会成为标配：目前所谓的“实时”，工业界是不认可的。为什么呢，因为学术圈的人，验证模型都是建立在 TitanX 或者 Tesla 这类强大的独立显卡上，而实际的潜在应用场景中，例如无人机/扫地/服务机器人/视频监控等，是不会配备这些“重型装备”的。所以，在嵌入式设备中，如 FPGA，轻量级 CPU 上，能达到的实时，才是货真价实的。

3. 模型小型化成为重要分支：类似于 tiny YOLO 的模型分支会受到更多关注。模型的小型化是应用到嵌入式设备的重要前提。而物联网机器人无人机等领域还是以嵌入式设备为主的。模型剪枝/二值化/权值共享等手段会更广泛的使用。